摘要：钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高光电转换效率、低成本的制备工艺和广泛的应用潜力，成为太阳能领域的研究热点。然而，钙钛矿太阳能电池的稳定性问题仍然是其商业化的主要障碍。钙钛矿材料在光照、热和电场等条件下，易发生化学反应，导致Pb-I键断裂，产生挥发性碘（I2）

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高光电转换效率、低成本的制备工艺和广泛的应用潜力，成为太阳能领域的研究热点。然而，钙钛矿太阳能电池的稳定性问题仍然是其商业化的主要障碍。钙钛矿材料在光照、热和电场等条件下，易发生化学反应，导致Pb-I键断裂，产生挥发性碘（I2）和金属铅（Pb0），会严重影响器件的效率和稳定性。兰州大学曹靖教授课题组近年来研究工作集中在卟啉/酞菁配合物设计及在钙钛矿太阳能电池中的应用研究（CCS Chem., 2024, 6, 2254; Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202414249; Energy Environ. Sci., 2024, 17, 5115; Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202307152; Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202218478; , 2023, 62, e202313833; Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202116308; J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 18989; , 2021, 60, 6294; CCS Chem., 2021, 3, 25; CCS Chem., 2020, 2, 488; J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 6345; J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 11577; Adv. Mater., 2018, 30, 1800568）。

近日，兰州大学曹靖教授（点击查看介绍）团队设计并成功合成了具有氧化还原活性的八乙基镍卟啉超分子（NiOP），将其修饰在钙钛矿薄膜中，NiOP超分子不仅能有效固定由卤化物氧化过程中产生的挥发性碘，减少了碘的挥发损失，避免了钙钛矿材料的降解；还能够作为氧化还原剂再生钙钛矿中的铅和碘等元素，从而修复电池中的缺陷和杂质，进一步提高了电池的稳定性和长效性能。这种新型卟啉超分子材料的引入，使得钙钛矿太阳能电池的性能得到了显著提升，尤其是在长期稳定性和抗衰减方面表现优异。实验数据显示，采用NiOP超分子的电池器件在高温、湿气和光照等恶劣环境下的性能衰退明显减缓，显著延长了电池的使用寿命。这一突破性进展为钙钛矿太阳能电池的大规模商业化应用提供了强有力的技术支撑，也为提高光伏材料的稳定性和效率提供了新的思路。

NiOP是由三个扭曲的卟啉单元组成的碗状结构，进而通过额外的弱分子间相互作用扩展为三维网状结构。理论计算表明，碘的吸附主要发生在由三个扭曲卟啉单元形成的碗状结构内，以及相邻碗状结构之间的空间中。NiOP中心的Ni位点对碘分子表现出最负的吸附能，表明中心Ni位点对碘分子具有最强的吸附能力。

图1. NiOP超分子晶体结构与吸附反应位点分析。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

钙钛矿材料在光照、热和电场等条件下，易发生化学反应，导致Pb-I键断裂，产生挥发性碘（I2）和金属铅（Pb0），会严重影响器件的效率和稳定性。而NiOP具有良好的碘吸附与捕获性能，能够快速有效地固定碘并随后将碘和Pb0转化为PbI2，从而通过有效管理碘和铅相关缺陷来提高钙钛矿光伏的稳定性。

图2. NiOP对碘的吸附实验。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

通过对钙钛矿薄膜分析发现引入NiOP不会改变钙钛矿相的结晶度并在钙钛矿薄膜中原位成功形成了NiOP超分子，且主要分布钙钛矿薄膜晶界处。

图3. 钙钛矿薄膜表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

通过实验分析，评估NiOP超分子对钙钛矿晶界电荷传输能力的影响。结果表明引入NiOP超分子有效钝化了晶界缺陷，并促进空穴提取和传输。

图4. 实验数据表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

电荷传输的机制研究表明具有独特结构的NiOP超分子表现出优异的空穴传输性能，是空穴传输的主要途径。

图5. 理论计算。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

基于NiOP制备的钙钛矿太阳能电池器件展现出优异的光电转换效率与稳定性。并抑制钙钛矿太阳能电池中碘和铅的释放。该方法突显了卟啉超分子在显著提高钙钛矿光伏稳定性和效率方面的潜力。

图6. 器件表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

相关工作在线发表于Angew. Chem. Int. Ed.，文章第一作者为兰州大学方子涵和穆希皎，通讯作者为兰州大学曹靖教授。

Imperfections Immobilization and Regeneration in Perovskite with Redox-Active Supramolecular Assembly for Stable Solar Cells

Zihan Fang, Xijiao Mu, Guo-Bin Xiao, Jing Cao

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202418834

曹靖教授简介

曹靖：兰州大学教授，博士生导师。厦门大学获得博士学位，导师郑南峰院士，随后到兰州大学化学化工学院工作，入选教育部青年长江学者奖励计划、中国化学会“青年人才托举工程”托举人才、甘肃省杰出青年基金以及陇原创新创业人才等项目，担任Chinese Chemical Letters期刊编委以及Inorganic Chemistry Frontiers、Chinese Journal of Structural Chemistry期刊青年编委。研究方向为:卟啉酞菁配合物光电材料设计合成及光伏应用研究，近年来以通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、CCS Chem.等期刊发表论文60余篇。

来源：X一MOL资讯